《Frontiers in Neuroscience》：Sleep regulation in Drosophila: a review of neural circuits and genetics
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这篇综述系统梳理了果蝇睡眠研究的重大进展，聚焦于神经回路（如背侧扇形体dFB、中央复合体）与基因网络（如Shaker、Sik3）如何协同调控睡眠-觉醒周期。文章强调了果蝇作为模型在解析睡眠稳态（Process S）、昼夜节律（Process C）及其与代谢、记忆交互作用中的独特价值，并指出当前研究正从孤立的“睡眠中枢”观点转向全脑分布式网络动态调控的新范式。
果蝇（Drosophila melanogaster）的睡眠行为受到一个复杂而分布广泛的神经网络调控，该网络整合了机体内在状态、昼夜节律定时以及先前经验等多种因素。虽然尚未发现单一的“睡眠中枢”，但关键脑区——包括中央复合体、蘑菇体以及其他关联结构，如腹神经索（VNC）——共同参与了对睡眠与觉醒的调节。这些脑区的功能表现出动态性、情境依赖性且常常相互重叠，反映了睡眠调节的多面性。
睡眠调节的神经结构
在果蝇大脑中，多个脑区协同工作调节睡眠。背侧扇形体（dFB）神经元通过在不同电活动状态（如活跃与静息配置）之间切换来控制睡眠。多巴胺通过改变钾通道活动来调节这些转换。dFB神经元还向中央复合体的螺旋细胞释放抑制性递质咽侧体抑制素A（AstA），抑制视觉引导的运动并巩固睡眠。然而，新近研究对AstA在dFB介导的睡眠调节中的作用提出了挑战。
椭球体（EB）的R2和R5神经元以及EPG神经元参与睡眠稳态和架构的调节。R5神经元在睡眠剥夺后其放电模式从紧张性转变为爆发式，编码睡眠压力。蘑菇体（MB）的α′/β′神经元在食物充足时促进睡眠依赖的记忆巩固，增加睡眠；在饥饿状态下，内侧α′/β′神经元则支持睡眠无关的记忆，展示了环境依赖的睡眠与记忆模式切换。
背侧节律神经元（DN1）可以细分为形态和功能不同的亚群：一部分通过抑制前视结节（AOTU）中的TuBu神经元来促进觉醒；另一部分则通过释放谷氨酸直接抑制关键的起搏神经元来促进睡眠。DN1神经元还通过咽侧体抑制素C（AstC）神经肽信号通路调节傍晚活动。外侧神经元（LN）则分为大腹外侧神经元（l-LNvs）和小腹外侧神经元（s-LNvs）。l-LNvs通过节律性调节GABA能信号影响睡眠。
神经递质与调质系统
多巴胺（DA）系统在睡眠调节中显示出复杂的、脑区特异性的功能。多巴胺受体Dop1R2在dFB神经元中介导多巴胺能信号，通过调节钾通道来促进睡眠；而Dop1R1在中央复合体神经元中则通过抑制重复惊吓诱导的觉醒来增加睡眠。章鱼胺（OA）作为类似哺乳动物去甲肾上腺素的神经调质，也发挥重要作用。在幼虫期，章鱼胺是主要的觉醒调节因子；在成虫中，章鱼胺能神经元（如MS1神经元）通过形成雄性特异的突触连接来介导性驱动力对睡眠的抑制。
乙酰胆碱（ACh）通过不同的受体和神经元亚群对睡眠和觉醒产生特定影响。尼古丁型乙酰胆碱受体α3（nAChRα3）通过多巴胺能神经元促进外源刺激诱导的觉醒，而nAChRα2和β2则通过章鱼胺能神经元促进睡眠。γ-氨基丁酸（GABA）及其相关基因通过神经元-胶质细胞相互作用、代谢平衡和神经回路调节来影响睡眠。GABA转运体（GAT）在星形胶质细胞中通过调节GABA能神经传递来影响睡眠。
多种神经肽也深度参与睡眠调节。色素分散因子（PDF）是时钟神经元的关键输出信号，通过多突触回路整合光、温度和环境信息来调节睡眠和节律行为。利尿激素31（DH31）和44（DH44）通过多层神经回路和分子机制调节果蝇睡眠行为。短神经肽F（sNPF）则通过抑制促觉醒神经元（如大腹外侧时钟神经元）来促进睡眠巩固。
关键信号通路与基因
胰岛素/PI3K/AKT通路相关基因通过调节代谢、神经可塑性和昼夜节律功能间接影响睡眠。盐诱导激酶3（Sik3）基因在物种间表现出显著的进化保守性。果蝇Sik3同源物同样参与睡眠调节。钙信号相关基因，特别是钙调神经磷酸酶（CN）及其调控通路，在睡眠调节中扮演重要角色。
离子通道相关基因对睡眠行为具有深远影响。电压门控钾通道基因Shaker的功能缺失突变体表现出睡眠持续时间显著减少。其调控亚基Hyperkinetic（Hk）以及sleepless（sss）、quiver（qvr）等基因通过调节钾通道活性、神经元兴奋性和突触传递来影响睡眠。钙激活钾通道、超极化激活的环核苷酸门控通道（HCN或Ih）以及瞬时受体电位（TRP）通道等相关基因也通过各种机制参与睡眠调节。
转录与表观遗传调控
多种转录因子和表观遗传调控因子参与睡眠调节。周期（per）和无时序（tim）等时钟基因的节律性表达是睡眠节律的基础。转录因子ATF-2（dATF-2）的表达影响睡眠持续时间。核因子E2相关因子2（Nrf2）的同源物CncC通过调节氧化还原稳态显著影响睡眠。蜕皮激素及其受体EcR与Ultraspiracle（usp）共同响应激素信号调节睡眠。
非编码RNA也在睡眠调控中发挥重要作用。microRNA-276a（miR-276a）的表达直接受核心昼夜节律转录因子CLOCK/CYCLE（CLK/CYC）调控，其功能缺失会显著增加果蝇的日间和夜间睡眠时间。染色质重塑因子Imitation SWItch/SNF（ISWI）通过调节发育过程中的神经发生和脑区形成来参与成虫睡眠调节。长链非编码RNA（lncRNA）yellow-achaete intergenic RNA（yar）的缺失会导致睡眠行为异常。
细胞代谢与蛋白稳态
果蝇睡眠与代谢状态紧密整合。脂蛋白受体LpR1和LpR2缺陷会导致睡眠模式异常。脂肪动素-FOXO（AKH-FOXO）和胰岛素/胰岛素样生长因子信号/雷帕霉素靶蛋白（IIS/TOR）通路参与睡眠调节。胶质细胞通过调节鞘脂代谢参与果蝇睡眠和昼夜节律调节。
泛素-蛋白酶体系统相关基因通过突触稳态、神经肽分泌和多巴胺能通路发挥作用。Cullin-3（Cul3）泛素连接酶复合物及其BTB域衔接蛋白（包括insomniac和BTBD9）通过蛋白质降解调节睡眠稳态和觉醒。脆性X信使核糖核蛋白1（Fmr1）基因在睡眠依赖的突触稳态中发挥作用。帕金森病相关基因parkin和pink1影响昼夜节律和睡眠模式。
免疫应激与发育影响
果蝇的睡眠调节亦涉及免疫与应激应答。背侧相关免疫因子（Dif）作为Toll通路中的转录因子，调节基础和恢复性睡眠。肽聚糖识别蛋白LE（PGRP-LE）识别细菌肽聚糖并激活免疫缺陷（IMD）通路。热休克蛋白83（Hsp83）作为一种分子伴侣，参与蛋白质折叠和应激反应。
睡眠行为表现出明显的性别二态性。tra和tra2基因的靶向表达研究表明，蘑菇体和脂肪体在性别特异性睡眠调节中起关键作用。保幼激素（JH）信号通路通过其受体germ cell-expressed（GCE）调节性别二态性睡眠。飞行行为与睡眠需求存在负调控关系。
总结与展望
果蝇睡眠研究在过去二十年取得了显著进展，从神经结构和基因调控角度揭示了睡眠机制的复杂性。然而，当前研究也面临挑战，例如对神经回路功能的过度简化解读，以及大量已识别“睡眠基因”缺乏统一核心分子模型的问题。未来研究需要采用更精细、干扰更小的标准化研究范式，在神经水平上结合高通量视频追踪和计算分期方法分析不同深度和阶段的睡眠，在遗传水平上超越对“总睡眠时间”的依赖，转向反映睡眠稳态特征的多维表型分析。通过整合多维数据和建立标准化研究范式，我们将更深入地理解果蝇睡眠的调控机制，并为理解更复杂生物的睡眠提供稳健模型。
